CH514819A

CH514819A - Procédé de réfrigération utilisant l'hydrogène comme fluide de travail et appareil pour sa mise en oeuvre

Info

Publication number: CH514819A
Application number: CH1600564A
Authority: CH
Inventors: Mercer Stanley
Original assignee: Petrocarbon Dev Ltd
Priority date: 1963-12-11
Filing date: 1964-12-10
Publication date: 1971-10-31
Also published as: NL6414435A; GB1016510A; DE1426995A1

Description


  
 



  Procédé de réfrigération utilisant l'hydrogène comme fluide de travail
 et appareil pour sa mise en oeuvre
 L'invention est relative à un procédé de réfrigération utilisant l'hydrogène comme fluide de travail, caractérisé en ce qu'on comprime de l'hydrogène à une pression comprise entre 100 et 200 atmosphères, on le refroidit et ensuite on le détend à une pression comprise entre sa pression critique et la pression atmosphérique, pour le liquéfier partiellement, puis on le liquéfie complètement et on le réfrigère par un échange de chaleur avec un mélange en recirculation, à une pression plus faible, d'hydrogène en phase liquide et en phase gazeuse, on envoie l'hydrogène liquide réfrigéré à un endroit où on lui fait effectuer une réfrigération au cours de laquelle il est partiellement évaporé,

   on fait subir au mélange résultant d'hydrogène en phase gazeuse et en phase liquide une seconde détente pour constituer le mélange en recirculation au moyen duquel on liquéfie complètement et on réfrigère l'hydrogène ayant subi la première détente, opération pendant laquelle le mélange est entièrement évaporé, et on utilise l'hydrogène entièrement en phase gazeuse résultant pour aider au refroidissement de l'hydrogène comprimé avant la première détente et on le recycle enfin par compression.



   Une pression convenable après la première détente se situe entre 2,5 et 4 atmosphères (pression absolue): la température de l'hydrogène gazeux avant cette première détente est de préférence comprise entre 400 K et 300 K. De préférence on maintient une différence d'au moins une atmosphère entre la pression de l'hydrogène après sa première détente et sa pression après la deuxième détente.



   En réfrigérant l'hydrogène liquéfié avant de lui faire effectuer la réfrigération, on a constaté qu'on obtient ainsi l'assurance qu'il ne se produira pas d'évaporation avant que cet hydrogène liquide n'arrive à l'endroit où s'effectue cette réfrigération; on évite ainsi un écoulement irrégulier et on parvient à une utilisation efficace, pendant la réfrigération, de l'hydrogène liquide. Si ce dernier doit être véhiculé à une distance considérable depuis le lieu de liquéfaction jusqu'à l'endroit d'utilisation, il est toujours possible, même en se servant d'une canalisation très bien isolée, d'un vide poussé et d'une protection contre la chaleur radiante, qu'une pénétration sensible de chaleur dans l'hydrogène liquide se produise qui occasionnerait, sans réfrigération de l'hydrogène liquide, une évaporation d'une partie du liquide.



   En n'évaporant que partiellement l'hydrogène liquide pendant que s'effectue la réfrigération, on peut maintenir une température constante à l'endroit de son utilisation et on a la certitude que l'hydrogène qui en ressort n'a pas été surchauffé. La détente supplémentaire de l'hydrogène partiellement liquéfié après que s'est effectuée la réfrigération permet de l'utiliser pour réfrigérer effectivement l'hydrogène détendu une première fois.



   La figure unique du dessin représente à titre d'exemple un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.



   L'appareil représenté comprend un compresseur   I    dans lequel de l'hydrogène aspiré par une conduite 2 est comprimé et refoulé par une conduite 3 pour être amené, après avoir successivement traversé des échangeurs de chaleur 4, 5 et 6 à une vanne de détente 7. L'hydrogène détendu dans la vanne 7 passe successivement dans un échangeur 8, et un échangeur 13, 14 pourvue d'une enveloppe calorifuge 9 pour parvenir à un échangeur de chaleur 10 dans lequel l'hydrogène liquide effectue la réfrigération par évaporation. A la sortie de l'échangeur 10
I'hydrogène traverse une seconde vanne de détente 11.



  L'hydrogène détendu dans la vanne 11 passe par le conduit 14 de l'échangeur 13, 14 dans l'échangeur 8 et ensuite successivement, par des conduits 15, dans les échangeurs 6 et 4 pour ensuite retourner au compresseur 1 par la conduite d'aspiration 2 sur laquelle est branché un réservoir à hydrogène sec 16. Une conduite  de by-pass 17 munie d'une vanne 26 relie les conduits d'aspiration et de refoulement 2 et 3.



   Une conduite 18 d'alimentation en azote liquide abou   tit    à un circuit d'évaporation de l'échangeur 5 lequel est   elié    par une conduite 19 à un troisième circuit de l'échangeur 4 relié à une pompe d'aspiration 20. Une vanne 21 montée sur la conduite 18 est commandée par un régulateur de niveau 22 sensible au niveau de l'azote liquide dans l'échangeur 5.



   Un détecteur manométrique 23 sensible à la pression dans la canalisation 13, en amont de l'enveloppe 9, corn   scande    la vanne 7.



   Un thermostat 24 sensible à la température du gaz dans la conduite 15, reliant les échangeurs 6 et 4, commande la vanne 11 tandis qu'un détecteur manométrique 25 sensible à la pression régnant dans la conduite de   -efoulement    3 commande la vanne 26.



   Pendant le fonctionnement, le compresseur 1 aspire de l'hydrogène gaz eux par la conduite 2 et le refoule à une pression de 120 atmosphères au débit de 69   m3/h.   



  Ce compresseur est muni de refroidisseurs entre étages et d'un refroidisseur final pour éliminer la chaleur de compression, la vapeur d'huile est éliminée d'une ma   fière    connue de l'hydrogène comprimé.



   L'hydrogène gazeux à 120 atmosphères traverse l'échangeur de chaleur 4 où il entre à 3050 K et dans lequel il est refroidi à 800 K par de l'hydrogène de recirculation. L'hydrogène gazeux est ensuite introduit dans l'échangeur de chaleur 5 où il est encore refroidi jusqu'à 700 K par l'azote liquide s'évaporant à une pression absolue de 0,3 atmosphère. Après ce refroidissement.



  I'hydrogène pénètre dans l'échangeur de chaleur 6 où il est refroidi jusqu'à 360 K par de l'hydrogène de recirculation. En quittant l'échangeur 6 l'hydrogène à 120 atmosphères est détendu dans la vanne de détente 7 jusqu'à une pression absolue de 3 atmosphères, ensuite de quoi sa   temnérature    descend par l'effet Joule Thomson jusqu'à   25o K    et une quantité importante de l'hydrogène est liquéfiée.



   Le mélange d'hydrogène en phase liquide et en phase gazeuse quittant la vanne 7 à 250 K et à une pression absolue de 3 atmosphères entre dans l'échangeur de chaleur 8 où il est complètement liquéfié et réfrigéré jusqu'à 230 K au moyen d'un courant de recirculation formé d'un mélange d'hydrogène liquide et gazeux venant par la tuyauterie 14 à une pression inférieure à 3 atmosphères.



  L'hydrogène liquide réfrigéré, à la pression absolue de 3 atmosphères, est conduit par la canalisation 13 à l'échangeur de chaleur 10, auquel il parvient à l'état encore entièrement liquide. La chaleur qui s'introduit inévitablement dans le liquide pendant son transfert est insuffisante pour l'amener à la température d'ébullition à laquelle il se produirait une évaporation partielle provoquant des conditions d'écoulement défavorables et des difficultés d'utilisation dans l'échangeur 10. Dans ce dernier, la réfrigération est effectuée par évaporation partielle à la température de 250 K. Le mélange de liquide et de gaz, qui sort de l'échangeur 10, est détendu dans la vanne 11 à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, de sorte que sa température descend à 210 K. Le mélange froid passe ensuite dans l'échangeur 8 par la conduite 14.

  Dans ce dernier, le mélange froid est réchauffé jusqu'à 220 K en refroidissant l'hydrogène partiellement liquéfié venant de la vanne 7 de manière que ce mélange soit totalement liquéfié et réfrigéré. Dans l'échangeur 8 le mélange venant de la conduite 14 est lui-même entièrement évaporé et l'hydrogène gazeux qui quitte l'échangeur 8 à 220 K par la tuyauterie 15 est réchauffé dans l'échangeur de chaleur 6 jusqu'à 670 K et ensuite dans l'échangeur de chaleur 4 jusqu'à 3000 K. Le réservoir d'hydrogène sec 16 sert à maintenir une pression positive à l'aspiration du compresseur. Le niveau d'azote liquide dans l'échangeur 5 est maintenu constant par le régulateur de niveau 22 qui commande une vanne d'admission 21.

  L'azote gazeux produit dans l'échangeur 5 par évaporation du liquide est réchauffé dans l'échangeur de chaleur 4 par l'hydrogène venant du compresseur jusqu'à une température de 3000 K puis il est évacué par la pompe 20 qui maintient à son entrée une pression absolue de 0,2 atmosphère.



   La pression absolue de 3 atmosphères régnant dans la canalisation 13 est maintenue automatiquement constante par le réglage de l'ouverture de la vanne 7 commandée par le détecteur manométrique 23. La valeur de la pression constante est choisie de façon à obtenir la température de réfrigération désirée.



   Toute variation de la température du gaz dans la conduite 15 reliant les échangeurs 6 et 4, par rapport à la valeur désirée, est corrigée par un changement de l'ouverture de la vanne   1 1    commandée par le thermostat 24. Si le réglage de la vanne 11 est modifié en réponse à une variation de la température dans la conduite 15, la pression dans la conduite 13 change et le détecteur manométrique 23 change l'ouverture de la vanne 7. Le détecteur manométrique 25 modifie le réglage de la vanne 26, corrigeant ainsi la pression de l'hydrogène en amont de la vanne 7 ainsi que la quantité de frigories fournie à l'échangeur 10.

 

   On remarquera que, selon le procédé décrit, I'hydrogène effectue la réfrigération en phase liquide et qu'ensuite il ne se trouve pas à l'état surchauffé, de sorte que la réfrigération a lieu à la température constante désirée et dans la mesure désirée.

Claims

REVENDICATIONS

I. Procédé de réfrigération utilisant l'hydrogène comme fluide de travail, caractérisé en ce qu'on comprime de l'hydrogène à une pression comprise entre 100 et 200 atmosphères, on le refroidit et ensuite on le détend à une pression comprise entre sa pression critique et la pression atmosphérique, pour le liquéfier partiellement, puis on le liquéfie complètement et on le réfrigère par un échange de chaleur avec un mélange en recirculation, à une pression plus faible, d'hydrogène en phase liquide et en phase gazeuse, on envoie l'hydrogène liquide réfrigéré à un endroit où on lui fait effectuer une réfrigération au cours de laquelle il est partiellement évaporé,

on fait subir au mélange résultant d'hydrogène en phase aqueuse et en phase liquide une seconde détente pour constituer le mélange en recirculation au moyen duquel on liquéfie complètement et on réfrigère l'hydrogène ayant subi la première détente, opération pendant laquelle le mélange est entièrement évaporé, et on utilise l'hydrogène entièrement en phase gazeuse résultant pour aider au refroidissement de l'hydrogène comprimé avant la première détente et on le recycle enfin par compression.

II. Appareil de réfrigération pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur (1), au moins un refroidisseur (5) et des échangeurs de chaleur de récupération (4, 6), arrangés en série entre la sortie du compresseur et une première vanne de détente (7), un échangeur de chaleur (8) traversé par l'hydrogène venant de la pre mière vanne de détente (7), une canalisation (13) menant de ce dernier échangeur (8) à un échangeur de réfrigération (10), une canalisation de recyclage (14) menant de l'échangeur de réfrigération (10) à travers une seconde vanne de détente (11) à la seconde voie de l'échangeur (8) disposé immédiatement en aval de la première vanne de détente, cette seconde voie, les secondes voies des échangeurs de récupération et l'admission du compresseur (1) étant reliées en série au moyen de conduites de recyclage (15),

formant ainsi un cycle fermé pour l'hydrogène.

SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que l'hydrogène provenant du compresseur est refroidi jusqu'à une température comprise entre 400 K et 300 K et subit ensuite une première détente jusqu'à une pression absolue de 2,5 à 4 atmosphères pour qu'il soit partiellement liquéfié.

2. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on fait subir au mélange d'hydrogène en phase gazeuse et en phase liquide une deuxième détente jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique.

3. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'avant la première détente on refroidit l'hydrogène provenant du compresseur à une température inférieure à 1000 K par un réfrigérant extérieur et on le refroidit ensuite à une température plus basse.

4. Procédé selon la sous-revendication 3, caractérisé en ce que le réfrigérant extérieur est de l'azote liquide s'évaporant à une pression inférieure à la pression atmosphérique.

5. Procédé selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce qu'on refroidit l'hydrogène provenant du compresseur jusqu'à 800 K environ par de l'hydrogène de recirculation et qu'on le refroidit ensuite jusqu'à 700 K par de l'azote liquide s'évaporant à une pression inférieure à la pression atmosphérique, ensuite de quoi on le refroidit jusqu'à 350K environ par de l'hydrogène gazeux froid résultant de l'évaporation d'hydrogène liquide après quoi on lui fait subir la première détente.

6. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que la deuxième détente s'effectue à travers une vanne dont le réglage est commandé par une température de l'hydrogène gazeux de recirculation tandis qu'on maintient constante la pression de refoulement en réglant une communication entre le refoulement et l'aspiration du compresseur.

7. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un détecteur de température sensible à la température de l'hydrogène gazeux dans une conduite de recyclage (15) et commandant la seconde valve de détente (11), un détecteur manométrique (23) commandant la première vanne de détente (7) en fonction de la pression en un point en aval de celle-ci, et une troisième vanne (26) reliant le refoulement et l'aspiration du compresseur (1) et commandée par un détecteur manométrique (26) sensible à la pression de refoulement du compresseur.